[发明专利]一种多主元合金-金刚石磨具材料及其制备方法和应用

说明书

本发明属于金刚石复合材料的制备领域，具体涉及一种多主元合金‑金刚石磨具材料及其制备方法和应用。所述复合材料的原料包括80‑95vol.％的粘结相粉末和5‑20vol％的金刚石。所用粘接相粉末由Cu、Ni、Fe、Sn、Ti按原子比为(20‑50)：(10‑40)：(5‑30)：(1‑10)：(1‑10)组成。其制备方法为：将粘接相粉末与金刚石粉末充分混合后采用放电等离子烧结SPS或热压HP工艺在850‑1100℃烧结得到产品。该材料具有良好的界面结合、金刚石稳定性、摩擦磨损性能，以及较高的断裂强度。本发明设计和制备的多主元合金‑金刚石磨具材料可以用于制备金刚石磨盘和金刚石砂轮等磨削类金刚石工具。

技术领域

本发明属于金刚石复合材料的制备领域，具体涉及一种多主元合金-金刚石磨具材料及其制备方法和应用。

背景技术

金刚石因其独特的物理化学特性，如极高的硬度、优异的耐磨性、高强度和低热膨胀等被广泛应用于硬质材料的加工中，金刚石超硬磨具，如磨头、磨盘等在高端芯片加工、3C陶瓷等领域发挥着越来越重要的作用。金刚石磨具通常由粘结相和金刚石颗粒组成。传统金刚石磨具的粘结相大多为Cu或Cu合金，合金元素一般选用与Cu固溶强化或析出强化的金属，例如Ni、Fe、Sn、Co等。同时，为了增强粘结相与金刚石颗粒的界面结合强度，通常添加一些强碳化物金属元素如Ti、Cr、Mo、V等。然而，传统的单一主元合金易形成金属间化合物、脆性相等有害产物，难以保持组织性能的稳定性，合金的性能也难以满足新型粘结相的要求。

近年来，高熵合金或多主元合金因为优异的力学和物理化学性能受到了越来越多的关注。已有研究表明，采用多主元合金作为粘结相能够显著提高超硬材料的力学和摩擦学性能，例如将CoCrNiCuMn、CoCrNiCuFe_0.5Mn、FeCoCrNiMo_0.2和Al_0.5FeCoCrNiCu等多主元合金与WC、Ti(C,N)等硬质相复合，能明显改善复合材料的耐磨和切削性能。在目前的研究中，人们还尝试了以含铜多主元合金作为研究对象，通过加入陶瓷以及其他成分来达到增强其韧性和强度的目的(如专利CN108504890A)。

关于多主元合金作为粘接相应用与金刚石超硬材料中的技术，人们也有一些突破，如：Zhang等发现FeCoCrNi多主元合金-金刚石超硬材料的抗弯强度和硬度均比传统金属粘结相超硬材料高2-3倍。然而，将含Cu多主元合金作为粘结相应用在金刚石超硬磨具上，目前的使用依然很少。

现役的金刚石磨具材料粘结相大多是含有Fe、Ni、Sn、Co等的铜合金。一方面，普通Cu合金粘结相与金刚石的界面结合能力差，不利于服役过程中对金刚石的把持；另一方面，Cu合金的强度有限，制备出的金刚石磨具材料难以满足某些极端的服役环境；此外，Co价格昂贵，原料成本高，降低了企业生产中获得的利润。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明的第一个目的是提供一种具有较高强度且耐磨的多主元合金-金刚石磨具材料；本发明的第二个目的是提供一种制备上述多主元合金-金刚石磨具材料的方法。本申请金属基体选用CuNiFeSnTi多主元合金，选取放电等离子烧结SPS或热压HP法制备复合材料，提高了金刚石/粘结相基体界面结合强度，增强了金刚石的稳定性，优化了复合材料的摩擦磨损性能，进而提高所制备的多主元合金-金刚石磨具材料的使用寿命。本发明通过以下技术方案实现：

本发明一种多主元合金-金刚石磨具材料，所述多主元合金-金刚石磨具材料的原料包括80-95vol.％的CuNiFeSnTi多主元合金粘结相粉末和5-20 vol％的金刚石粉末。

优选地，本发明一种多主元合金-金刚石磨具材料，包括：80-87.5vol.％的CuNiFeSnTi多主元合金粘结相粉末和12.5-20vol％、优选为12.5-15vol％的金刚石粉末。

优选地，所述CuNiFeSnTi多主元合金粘结相粉末中，Cu、Ni、Fe、Sn、Ti 的原子比为(20-50)：(10-40)：(5-30)：(1-10)：(1-10)。